การใช้ MOSFET Body Diodes เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ในอินเวอร์เตอร์

ในโพสต์นี้เราพยายามทำความเข้าใจว่าสามารถใช้ประโยชน์จากไดโอดภายในของ MOSFET ได้อย่างไรในการเปิดใช้งานการชาร์จแบตเตอรี่ผ่านหม้อแปลงเดียวกันที่ใช้เป็นหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์

ในบทความนี้เราจะตรวจสอบแนวคิดอินเวอร์เตอร์บริดจ์แบบเต็มและเรียนรู้ว่าไดโอดในตัวของ MOSFET 4 ตัวสามารถนำไปใช้กับการชาร์จแบตเตอรี่ที่ต่อพ่วงได้อย่างไร

Full Bridge หรือ H-Bridge Inverter คืออะไร

ในโพสต์ก่อนหน้านี้เราได้พูดคุยกัน วงจรอินเวอร์เตอร์สะพานเต็ม และเกี่ยวกับหลักการทำงานของพวกเขา

ดังที่แสดงในภาพด้านบนโดยพื้นฐานแล้วในอินเวอร์เตอร์แบบเต็มสะพานเรามีชุด MOSFET 4 ชุดที่เชื่อมต่อกับโหลดเอาต์พุต คู่ MOSFET ที่เชื่อมต่อในแนวทแยงจะสลับกันผ่านภายนอก ออสซิลเลเตอร์ ทำให้อินพุต DC จากแบตเตอรี่เปลี่ยนเป็นกระแสสลับหรือ AC สำหรับโหลด

โดยปกติโหลดจะอยู่ในรูปของไฟล์ หม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าต่ำหลักเชื่อมต่อกับสะพาน MOSFET สำหรับการกลับ DC เป็น AC ที่ต้องการ

โดยปกติแล้วไฟล์ 4 N-channel MOSFET โทโพโลยี H-bridge ที่ใช้พื้นฐานถูกนำไปใช้ในอินเวอร์เตอร์แบบเต็มบริดจ์เนื่องจากโทโพโลยีนี้ให้การทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของอัตราส่วนความกะทัดรัดต่อกำลังขับ

แม้ว่าการใช้อินเวอร์เตอร์ช่องสัญญาณ 4 N จะขึ้นอยู่กับความเชี่ยวชาญ IC ของไดรเวอร์ ด้วย bootstrapping แต่ประสิทธิภาพก็มีมากกว่าความซับซ้อนดังนั้นประเภทเหล่านี้จึงเป็นที่นิยมในการใช้งานในสมัยใหม่ทั้งหมด อินเวอร์เตอร์แบบเต็มสะพาน .

วัตถุประสงค์ของ MOSFET ไดโอดภายในร่างกาย

ไดโอดภายในร่างกายที่มีอยู่ใน MOSFET ในปัจจุบันเกือบทั้งหมดได้รับการแนะนำให้รู้จักกับ ปกป้องอุปกรณ์ จาก EMF spikes ย้อนกลับที่สร้างขึ้นจากการเชื่อมต่อ โหลดอุปนัย เช่นหม้อแปลงมอเตอร์โซลินอยด์เป็นต้น

เมื่อโหลดอุปนัยเปิดอยู่ผ่านท่อระบายน้ำ MOSFET พลังงานไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ภายในโหลดทันทีและในช่วงเวลาถัดไปเมื่อ MOSFET ปิด EMF ที่จัดเก็บไว้นี้จะถูกเตะกลับในขั้วย้อนกลับจากแหล่ง MOSFET เพื่อระบายออกทำให้ MOSFET เสียหายอย่างถาวร

การปรากฏตัวของไดโอดภายในร่างกายผ่านท่อระบายน้ำ / แหล่งที่มาของอุปกรณ์ป้องกันอันตรายโดยปล่อยให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลังนี้ขัดขวางเส้นทางตรงผ่านไดโอดดังนั้นจึงป้องกัน MOSFET จากการเสียที่อาจเกิดขึ้นได้

การใช้ MOSFET Body Diodes สำหรับการชาร์จแบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์

เราทราบดีว่าอินเวอร์เตอร์ไม่สมบูรณ์หากไม่มีแบตเตอรี่และแบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์จำเป็นต้องมีการชาร์จบ่อยๆอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เพื่อให้เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์อยู่ในสภาพพร้อมใช้งานและอยู่ในสภาพสแตนด์บาย

อย่างไรก็ตามการชาร์จแบตเตอรี่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งต้องเป็นประเภทกำลังไฟสูงเพื่อให้แน่ใจว่าเหมาะสมที่สุด กระแสไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ .

การใช้หม้อแปลงเพิ่มเติมร่วมกับหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์อาจมีขนาดใหญ่และมีราคาแพงเช่นกัน จึงหาเทคนิคที่ ใช้หม้อแปลงอินเวอร์เตอร์เดียวกันสำหรับการชาร์จ แบตเตอรี่มีประโยชน์อย่างยิ่ง

การมีอยู่ของไดโอดภายในตัวใน MOSFET โชคดีที่ทำให้สามารถเปลี่ยนหม้อแปลงในโหมดอินเวอร์เตอร์และในโหมดเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างง่ายดาย การเปลี่ยนรีเลย์ ลำดับ

แนวคิดพื้นฐานในการทำงาน

ในแผนภาพด้านล่างเราจะเห็นว่า MOSFET แต่ละตัวจะมาพร้อมกับไดโอดภายในตัวซึ่งเชื่อมต่อกับหมุดระบายน้ำ / แหล่งที่มา

ขั้วบวกของไดโอดเชื่อมต่อกับพินต้นทางในขณะที่พินแคโทดเชื่อมโยงกับขาระบายของอุปกรณ์ นอกจากนี้เรายังสามารถเห็นได้ว่าเนื่องจาก MOSFET ได้รับการกำหนดค่าในเครือข่ายแบบเชื่อมต่อไดโอดจึงได้รับการกำหนดค่าในขั้นพื้นฐาน วงจรเรียงกระแสแบบเต็มสะพาน รูปแบบเครือข่าย

มีการใช้รีเลย์สองตัวซึ่งใช้งานไม่กี่ตัว การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว สำหรับการเปิดใช้งานกริด AC เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ผ่านไดโอดตัว MOSFET

นี้ วงจรเรียงกระแสสะพาน การสร้างเครือข่ายของไดโอดภายใน MOSFET ทำให้กระบวนการใช้หม้อแปลงตัวเดียวเป็นหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์และหม้อแปลงเครื่องชาร์จนั้นตรงไปตรงมามาก

ทิศทางการไหลปัจจุบันผ่าน MOSFET Body Diodes

ภาพต่อไปนี้แสดงทิศทางการไหลของกระแสผ่านไดโอดของร่างกายสำหรับการแก้ไขหม้อแปลง AC เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

ด้วยแหล่งจ่ายไฟ AC สายหม้อแปลงจะเปลี่ยนขั้วสลับกัน ดังที่แสดงในภาพด้านซ้ายโดยสมมติว่า START เป็นสายบวกลูกศรสีส้มจะระบุรูปแบบการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่าน D1, แบตเตอรี่, D3 และกลับไปที่ FINISH หรือสายลบของหม้อแปลง

สำหรับรอบ AC ถัดไปขั้วจะกลับด้านและกระแสจะเคลื่อนที่ตามที่ลูกศรสีน้ำเงินระบุผ่านไดโอดตัว D4, แบตเตอรี่, D2 และกลับไปที่ FINISH หรือปลายด้านลบของขดลวดหม้อแปลง ซึ่งจะทำซ้ำสลับกันไปเรื่อย ๆ โดยเปลี่ยนทั้งวงจร AC เป็น DC และชาร์จแบตเตอรี่

อย่างไรก็ตามเนื่องจาก MOSFET มีส่วนเกี่ยวข้องกับระบบจึงต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้รับความเสียหายในกระบวนการและสิ่งนี้เรียกร้องให้มีการดำเนินการเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์ / อุปกรณ์ชาร์จที่สมบูรณ์

การออกแบบที่ใช้ได้จริง

แผนภาพต่อไปนี้แสดงการออกแบบที่ใช้งานได้จริงซึ่งตั้งขึ้นสำหรับการนำไดโอดตัว MOSFET ไปใช้เป็นวงจรเรียงกระแสสำหรับ การชาร์จแบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์ พร้อมสวิตช์เปลี่ยนรีเลย์

เพื่อความปลอดภัย 100% สำหรับ MOSFET ในโหมดการชาร์จและในขณะที่ใช้ไดโอดของร่างกายกับหม้อแปลง AC ประตู MOSFET จะต้องยึดไว้ที่พื้นดินและตัดออกจากแหล่งจ่าย DC อย่างสมบูรณ์

สำหรับสิ่งนี้เราใช้สองสิ่งเชื่อมต่อตัวต้านทาน 1 k ผ่านพินเกต / ซอร์สของ MOSFET ทั้งหมดและใส่รีเลย์ตัดต่ออนุกรมพร้อมกับสายจ่าย Vcc ของ IC ไดรเวอร์

รีเลย์ตัดการทำงานคือหน้าสัมผัสรีเลย์ SPDT ที่มีหน้าสัมผัส N / C ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับอินพุต IC ของไดรเวอร์ ในกรณีที่ไม่มีไฟ AC หน้าสัมผัส N / C จะยังคงทำงานอยู่เพื่อให้แหล่งจ่ายแบตเตอรี่เข้าถึง IC ไดรเวอร์เพื่อจ่ายไฟให้กับ MOSFET

เมื่อไฟ AC พร้อมใช้งานสิ่งนี้ รีเลย์เปลี่ยนไป ไปยังหน้าสัมผัส N / O ตัด IC Vcc ออกจากแหล่งจ่ายไฟดังนั้นจึงมั่นใจได้ว่าการตัด MOSFET ทั้งหมดจากไดรฟ์บวก

เราสามารถดูชุดไฟล์ หน้าสัมผัสรีเลย์ เชื่อมต่อกับหม้อแปลงไฟฟ้า 220 V ด้านข้าง การคดเคี้ยวนี้ถือเป็นด้านเอาต์พุต 220V ของอินเวอร์เตอร์ ปลายขดลวดเชื่อมต่อกับขั้วของรีเลย์ DPDT ซึ่งมีการกำหนดค่าหน้าสัมผัส N / O และ N / C ด้วยอินพุตกริดหลัก AC และโหลดตามลำดับ

ในกรณีที่ไม่มีกริด AC ระบบจะทำงานในโหมดอินเวอร์เตอร์และกำลังส่งออกไปยังโหลดผ่านหน้าสัมผัส N / C ของ DPDT

เมื่อมีอินพุตกริด AC รีเลย์จะเปิดใช้งานไปยังหน้าสัมผัส N / O เพื่อให้กริด AC จ่ายไฟที่ด้านข้าง 220V ของหม้อแปลง สิ่งนี้จะเพิ่มพลังงานให้กับด้านอินเวอร์เตอร์ของหม้อแปลงและกระแสจะได้รับอนุญาตให้ผ่านไดโอดตัวของ MOSFET เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ที่ต่ออยู่

ก่อนที่รีเลย์ DPDT จะสามารถเปิดใช้งานรีเลย์ SPDT ควรจะตัด Vcc ของ IC ไดรเวอร์ออกจากแหล่งจ่าย ความล่าช้าเล็กน้อยในการเปิดใช้งานระหว่างรีเลย์ SPDT และรีเลย์ DPDT นี้ต้องได้รับการรับรองเพื่อรับประกันความปลอดภัย 100% สำหรับ MOSFET และสำหรับการทำงานของเสียงของ อินเวอร์เตอร์ / โหมดการชาร์จ ผ่านทางไดโอดของร่างกาย

การดำเนินการเปลี่ยนรีเลย์

ตามที่แนะนำไว้ข้างต้นเมื่อมีแหล่งจ่ายไฟหน้าสัมผัสรีเลย์ SPDT ด้าน Vcc ควรเปิดใช้งานไม่กี่มิลลิวินาทีก่อนรีเลย์ DPDT ที่ด้านหม้อแปลง อย่างไรก็ตามเมื่ออินพุตหลักล้มเหลวรีเลย์ทั้งสองจะต้องปิดเกือบพร้อมกัน เงื่อนไขเหล่านี้สามารถทำได้โดยใช้วงจรต่อไปนี้

ที่นี่แหล่งจ่ายไฟ DC ที่ใช้งานได้สำหรับขดลวดรีเลย์ได้มาจากมาตรฐาน อะแดปเตอร์ AC เป็น DC เสียบกับสายไฟกริด

ซึ่งหมายความว่าเมื่อมีกริด AC อะแดปเตอร์ AC / DC จะเปิดรีเลย์ รีเลย์ SPDT ที่เชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งจ่ายไฟ DC จะเปิดใช้งานอย่างรวดเร็วก่อนที่รีเลย์ DPDT จะทำได้ รีเลย์ DPDT จะเปิดใช้งานไม่กี่มิลลิวินาทีในภายหลังเนื่องจากมี 10 โอห์มและตัวเก็บประจุ 470 uF เพื่อให้แน่ใจว่า IC ไดรเวอร์ MOSFET ถูกปิดใช้งานก่อนที่หม้อแปลงจะสามารถตอบสนองต่ออินพุต AC แบบกริดที่ด้าน 220 V

เมื่อไฟ AC ล้มเหลวรีเลย์ทั้งสองจะปิดเกือบพร้อมกันเนื่องจากตอนนี้ตัวเก็บประจุ 470uF ไม่มีผลต่อ DPDT เนื่องจากไดโอดแบบย้อนกลับแบบอนุกรม

สรุปคำอธิบายของเราเกี่ยวกับการใช้ไดโอดตัว MOSFET สำหรับชาร์จแบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์ผ่านหม้อแปลงทั่วไปตัวเดียว หวังว่าแนวคิดนี้จะช่วยให้ผู้ที่ชื่นชอบงานอดิเรกจำนวนมากสามารถสร้างอินเวอร์เตอร์อัตโนมัติขนาดกะทัดรัดราคาถูกพร้อมเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ในตัวโดยใช้หม้อแปลงทั่วไปเพียงตัวเดียว